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종이 두 장으로 1.4Kg을 떠받친다? - 트러스아치 종이공작 목록

조회 : 68092 | 2004-11-10

1. 실험 목적
트러스-아치를 설계하고 만들며 호기심을 증진시킬 수 있다. 아치모양의 다리, 무덤 등 아치는 과거부터 무게를 지탱하는데 많이 이용된 구조이다. 이 실험은 종이에 설계를 하여 아치를 만들어 보고 책을 올려놓는다. 만드는 과정에서 꼼꼼히 만들수록 더 많은 책이 올라간다. 종이로 종이의 몇 배가 되는 책을 올려놓았을 때의 경이로움은 학생들에게 과학에 대한 호기심을 증진시킬 수 있다. 또한 우리 주변의 사물에 대한 이해도 도울 수 있을 것이다.









2. 실험준비물
A4종이 2장, 나무젓가락 3쌍, 가위, 자, 연필









3. 실험방법
① 복사 종이(A4 크기)위에 그림과 같이 가로 24cm, 세로 16cm 크기의 사각형에 가로 6등분, 세로 8등분의 칸을 만들고 세로 선은 지운다. 전체 크기는 조금 달라도 가로 6등분과 세로 8등분의 칸은 만들어야 한다. 대각선을 그어 마름모 모양을 만든다.
② 같은 방법으로 한 장을 더 만든다
③ 모든 대각선(실선)을 같은 방향으로 정확하게 접는다. 선이 보이는 방향으로 접으며 접은 지점의 윤곽이 뚜렷해야 나중에 잘 접힌다.
④ 가로선(점선)을 선에 맞게 반대 방향으로 접는다. 가로선(점선은) 대각선(실선) 방향과 반대로 접어야 하며 뚜렷하게 접되 찢어지지 않게 조심한다.
⑤ 전체를 가볍게 구부려 골이 위에 가도록 정리한 후, 끝에서부터 점선은 아래로(골 부분이 아래로)가도록, 실선은 위로 가도록(마루 부분은 위로 가도록) 천천히 접어나간다.
⑥ 같은 방법으로 한 장을 더 접는다
⑦ 모두 접은 두 장을 이어 놓고 그 위에 나무젓가락을 쪼개 6개를 올린다
⑧ 그 위에 책을 올려 놓으며 어느 정도의 무게를 지탱하는지 살펴본다








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4. 퀴즈?퀴즈!
Q> 음료수병 또는 그릇의 밑바닥을 보면 그 바닥이 안쪽으로 오목하게 들어가 있다. 그냥 평면으로 만드는 것이 더 쉬울 텐데, 왜 그런 모양으로 만들었을까? (정답은 실험 속 과학원리 하단에 있습니다)

① 병 모양을 예쁘게 만들기 위하여
② 공간을 효율적으로 사용하기 위하여
③ 안쪽에 들어가는 내용물의 양을 줄이기 위하여
④ 병이 쓰러지지 않고 서 있을 수 있게 하기 위하여
⑤ 바깥쪽으로 밀어내는 내용물의 압력을 지탱하기 위하여




5. 실험 속 과학원리
아치의 역사는 오래되었는데, 신석기시대에 이미 삼각형모양의 아치가 만들어졌다. 곡선모양의 아치가 최초로 만들어진 것은 BC 4000년 무렵 메소포타미아에서였다.
아치 구조는 누르는 힘(중력)을 옆으로 분산시킴으로써 (분력) 하중을 줄이고 변형을 최소화한다.

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우리주변에서도 아치의 모양은 쉽게 찾을 수 있다. 사람의 발바닥뼈, 갈비뼈, 파충류나 조류의 알에서 아치모양을 찾을 수 있고 이것은 많은 하중을 경감하기 위해서이다.
방화대교와 성산대교 등 한강 다리에서도 아치모양을 쉽게 찾을 수 있다. 이것 역시 힘을 효율적으로 분산시키기 위해서이다.

 



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7학년 과정의 <힘의 종류와 합성>을 이해함에 있어서 중력과 힘의 합성을 우리 주변의 현상들과 연과지어 이해할 수 있는 예가 바로 트러스-아치 구조이다. 힘의 합성은 용수철 저울을 이용하여 두 힘의 합성을 실험 하거나 물건을 들 경우 혼자 드는 것보다 둘이 함께 드는 것이 가볍다는 경험으로 설명을 한다. 힘의 합성 예는 우리 주변에 많지만 규모도 크고 측정하기가 힘들다. 이 실험을 통해서 힘의 합성을 눈으로 확인할 수 있다.




발바닥은 왜 아치모양일까?

발바닥 역시 아치모양으로 생겼다. 사람은 하루 종일 서서 활동을 하는데 사람의 무게를 발이 지탱하고 있는 것이다. 따라서 평발은 이런 역할을 할 수 없기 때문에 걷는 것 자체가 아주 피곤하다. 남들보다 발이 쉽게 피곤하다면 한번쯤 평발을 의심해볼 필요가 있다.
아장아장 걷기 시작할 때부터 발의 운명은 시작된다. 한평생 체중을 업고 카펫처럼 부드러운 바닥을 걷기도 하고 때로는 울퉁불퉁한 자갈길도 걸어야 한다. 한 사람이 평생 동안 걷는 거리는 지구의 네 바퀴 반. 땅에 부딪치는 횟수는 1억 번 정도이며 1㎞를 가는 데 약 16t의 엄청난 무게를 지탱하는 것도 불쌍한 발이다. 발은 수많은 근육과 신경, 그리고 혈관들이 거미줄처럼 얽혀 다리를 통해 척수와 심장, 뇌로 연결된다. 또 몸무게가 발바닥에 주는 충격을 흡수하고 분산시켜 인체에 가해지는 힘을 최소화해 주는 최대의 걸작품이다. 발은 특히 제2의 심장이라고 부른다. 걷는 동안 심장과 마찬가지로 피를 펌프질해 혈액순환을 도와주기도 한다.





트러스(Truss) 구조

직선적인 부재로 구성되는 삼각형을 단위로 하는 구조골조. 각 부재의 단부절점(端部節點)이 모두 핀접합으로 되어 있는 것을 말하며, 단순히 트러스라고도 한다. 부재의 중간점에 하중이 작용하면 그 부재에는 축방향력 외에 굽힘(벤딩)모멘트(힘)와 층밀리기힘이 생기는데, 절점의 위치에 하중이 가해지면 각 부재에는 축방향력만이 생기게 된다. 이 때문에 굽힘모멘트를 받는 부재에 비하여 변형이 작다.





아치(arch) 구조

벽이나 수직의 석조 건물의 개구부(開口部)에 상부의 하중을 지지하기 위하여 깎은 돌이나 쐐기형의 돌, 입방형의 돌 또는 벽돌 여러 개를 맞대어 곡선형으로 쌓아올리는 건축 구조. 구조상으로는 상부의 하중이 각 굄돌의 접촉면에 수직 방향의 압축력으로 전달되고, 아치 하단의 바깥쪽으로 벌어지려는 힘은 벽을 안정적으로 두껍게 함으로써 처리된다.


* 퀴즈?퀴즈! 정답 : ⑤ 바깥쪽으로 밀어내는 내용물의 압력을 지탱하기 위하여














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